Sistemi di Telecomunicazione
Parte 4: Tecnologie xDSL
Universita’ Politecnica delle Marche
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Tecnologie xDSL di nuova generazione
Le tecniche xDSL si suddividono in tre grandi famiglie:
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Topologia di rete
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Schema a blocchi generale del sistema ADSL
La banda del doppino e’ molto maggiore dei circa 4 kHz utilizzati per la trasmissione
vocale. Per sfruttare appieno tale banda bisogna utilizzare una coppia di modem, sia
dal lato utente che da quello rete. Lo scopo generale dell’impiego dell’ADSL e’ di
collegare la rete numerica ad alta velocita’ con i terminali applicativi di utente,
impiegando il doppino telefonico. Per quanto riguarda i segnali trasportati, la
normativa fa riferimento a due tipi di segnale: ATM (Asynchronous Transfer Mode) o
STM (Synchronous Transfer Mode), a seconda di come sono multiplati i canali dati
trasportati.
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Modulazioni DMT e CAP
I Modulazione DMT: Discrete Multi Tone
I Modulazione CAP: Carrierless Amplitude/Phase Modulation
Il rice-trasmettitore ADSL applica un tipo di modulazione che consente di ridurre la
symbol-rate trasmessa in linea, ed inoltre consente di rispettare determinate maschere
per lo spettro del segnale.
I metodi impiegati per la modulazione sono basati sul principio del QAM e si
distinguono in due tipi fondamentali: Modulazione DMT (Discrete Multi Tone) e
Modulazione CAP (Carrierless Amplitude/Phase Modulation). Il primo tipo e’ quello
quasi esclusivamente usato da tutti i costruttori; pochi costruttori sostengono il CAP
per ADSL.
Dal punto di vista della trattazione matematica il primo sistema da’ piu’ enfasi alla
rappresentazione nel dominio della frequanza, il secondo al dominio del tempo.
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Carrierless Amplitude/Phase Modulation
I
La modulazione Carrierless Amplitude Phase (CAP) e’ una tecnica
che suddivide il segnale in due bande distinte:
I
I
I
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Il canale dati upstream (verso il service provider), trasportato nella
banda tra 25 e 160 kHz
Il canale dati downstream (verso l’utente), trasportato nella banda
da 200 kHz a 1.1MHz
Questi canali sono ampiamente separati, in modo da minimizzare il
rischio di interferenza tra i canali medesimi.
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Discrete Multi Tone Modulation
I
La modulazione Discrete Multi Tone Modulation (DMT) e’ una
tecnica che suddivide il segnale DSL in modo tale che l’intervallo di
frequenze utilizzabile risulta separato in 256 canali (o
sotto-portanti), ciascuno di larghezza 4.3125 kHz
I
La DMT puo’ usare le diverse sotto-portanti (chiamate anche
frequency bins), in downstream e in upstream
I
Le prime sei portanti sono lasciate libere, per separare
adeguatamente la modulazione DMT di ADSL, dal segnale fonico in
banda base (da 0 a 4 KHz), percio’ 26 KHz e’ considerato il punto
di partenza per l’ADSL. Lo spettro e’ suddiviso in 32 portanti, per il
segnale da modem d’utente verso il modem di centrale (upstream),
218 portanti nel verso opposto (downstream)
I
La DMT regola costantemente i segnali tra canali differenti per
assicurare che siano utilizzati in trasmissione e ricezione i migliori
canali
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La tecnica di modulazione DMT - I
I DMT e’ una tecnica trasmissiva numerica del tipo multiportante.
I Le tecniche multiportante sono basate sul principio di suddividere la banda
disponibile del canale trasmissivo in un certo numero di sottobande, e di
utilizzare ciascun sottocanale cosi’ ottenuto per trasmettere un’opportuna
porzione di flusso informativo.
I Rispetto alle tradizionali tecniche di modulazione a singola portante, esse
presentano i seguenti vantaggi:
I L’attenuazione su ciascuna sottobanda e’ praticamente costante per cui
non e’ necessario l’impiego di equalizzatori di canale in ricezione
I L’assegnazione della capacita’ di trasmissione di ogni sottocanale e’
effettuata tenendo conto delle caratteristiche di attenuazione del canale e
del livello di rumore, in modo da ottimizzare la trasmissione inviando
maggiore informazione nelle sottobande che garantiscono un migliore
rapporto segnale/rumore
I La tecnica di modulazione DMT adottata per i sistemi ADSL prevede di
suddividere il flusso informativo in ingresso in 256 flussi paralleli, ciascuno dei
quali modula, in tecnica QAM, una delle 256 sottoportanti del sistema.
I La realizzazione del modem ADSL e’ in effetti completamente numerica grazie
all’ausilio delle tecniche di trasformata veloce di Fourier (FFT).
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La tecnica di modulazione DMT - II
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Adattamento delle portanti DMT
Il vantaggio della tecnica DMT e’ quello di poter adattare lo spettro del segnale alla
risposta del canale. Se ad esempio e’ presente un Bridged Tap che crea un notch alla
frequenza fx , quella frequenza non verra’ utilizzata. Allo stesso modo, se in una
porzione di banda sono presenti disturbi, quella porzione non verra’ utilizzata e le
informazioni verranno concentrate sul resto della banda disponibile, dove la qualita’
della trasmissione e’ migliore.
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Caratteristiche del DMT usato per ADSL - I
I Il codice di linea Discrete Multi Tone e’ basato su uno schema di modulazione
multiportante in cui la banda di trasmissione e’ suddivisa in un insieme di
sottoportanti, o toni, ciascuna utilizzata come canale indipendente per
trasmettere una frazione dell’informazione.
I Le caratteristiche peculiari del sistema DMT usato per realizzare sistemi ADSL
sono:
I
I
I
I
I
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trasmissione in tecnica QAM su ogni sottobanda con efficienza spettrale
massima di 14-15 bit/s/Hz;
sottoportanti (o toni) di eguale ampiezza spettrale ed equispaziate tra loro;
la larghezza di banda e’ sufficientemente piccola in modo da permettere un
impiego quasi ottimo della capacita’ del canale compatibilmente con valori
accettabili di complessita’ e di ritardo;
realizzazione completamente numerica della mo/demodulazione tramite
algoritmi di trasformata veloce inversa (IFFT) e diretta (FFT) di Fourier;
livello nominale uniforme, della densita’ spettrale di potenza trasmessa,
pari a -40 dBm/Hz in downstream e -38 dBm/Hz in upstream;
distribuzione della capacita’ di trasporto del sistema non uniforme nelle
sottoportanti, in funzione delle specifiche condizioni di rapporto segnale
rumore nella banda di ciascuna sottoportante.
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Caratteristiche del DMT usato per ADSL - II
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Spettro del segnale ADSL di Categoria 1
La specifica definisce due modalita’ di realizzazione del sistema DMT, dette di
categoria 1 e di categoria 2. Nei modem di categoria 1 i segnali upstream e
downstream sono separati in frequenza (Frequency Division Multiplexing); per il
segnale downstream sono utilizzati solo i toni al di sopra del segnale upstream. Il
segnale upstream e’ posizionato a partire da un valore di frequenza (26 KHz) tale da
lasciare una appropriata banda di guardia in via cautelativa per non interferire con il
segnale POTS (Plain Old Telephon Service). Piu’ precisamente, i primi 6 toni non
sono utilizzati perche’ interferirebbero con la banda fonica (6 portanti x 4,3125 KHz =
25,875).
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Spettro del segnale ADSL di Categoria 2
Nei modem di categoria 2 i segnali upstream e downstream sono sovrapposti e sono
separati mediante l’impiego di un cancellatore d’eco numerico; il segnale downstream
puo’ cosi’ utilizzare tutti i toni disponibili, tranne i primi sei non utilizzati in entrambe
le categorie, perche’ interferirebbero con la banda fonica (6 portanti x 4,3125 KHz =
25,875 kHz). Arrivando ad usare anche le sotto-portanti a frequenza piu’ bassa, nel
downstream si puo’ sfruttare la minore attenuazione del doppino alla frequenze
inferiori. Il sistema di categoria 2 presenta generalmente migliori prestazioni di
capacita’ in funzione della portata (o viceversa), soprattutto nel caso di impiego di
velocita’ di cifra elevate.
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Spettro del segnale ADSL di Categoria 1 e 2: confronto
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Richiami alla modulazione QAM - I
I La modulazione QAM (Quadrature Amplitude Modulation) e’ un tipo di
modulazione in cui la definizione del simbolo trasmesso e’ determinata sia da
variazioni di ampiezza che da variazioni di fase della portante.
I La QAM e’ fondamentalmente una modulazione multilivello quadrifase che
esibisce la tipica costellazione in cui i livelli modulanti sono distribuiti nei punti
d’incrocio di una rete ortogonale.
I La diversa distanza di punti dal centro del diagramma denota una modulazione
d’ampiezza del vettore portante, la cui posizione angolare dipende anche dalla
modulazione PSK impartita sulle due sottoportanti in quadratura.
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Richiami alla modulazione QAM - II
I Nell’esempio di 16QAM, la conversione serie parallelo trasforma il Bit Stream in
4 segnali sincroni di durata quadrupla; con cio’ l’ingombro della banda viene
ridotto di 4 volte rispetto ad un sistema bifase di pari capacita’.
I Esaminando separatamente i percorsi delle due vie I e Q, e’ immediato osservare
che il vettore uscente dal moltiplicatore presenta 4 possibili situazioni di
ampiezza e 4 possibili situazioni di fase. L’operazione di somma dei due vettori
cosi’ modulati, equivale ad esaminarne la componente vettoriale quando essi
sono riportati su un piano cartesiano comune ad entrambi.
I Le coppie di coordinate definite da tutte le possibili configurazioni dei due vettori
determinano la costellazione della modulazione, che indica gli stati discreti che la
portante puo’ assumere in un arbitrario tempo di clock.
I Dal punto di vista analitico, l’equazione dell’onda modulata QAM presenta la
somma di due termini, rispettivamente in seno ed in coseno, indicatori
dell’ortogonalita’ delle due sottoportanti, ciascuno modulato in ampiezza da un
segnale logico rispettivamente mI ed mQ :
s(t) = AI · mI · senw0 t + AQ · mQ · cosw0 t
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Principio della modulazione multiportante
I La realizzazione del modem DMT e’ effettuata mediante l’applicazione di alcuni
principi della elaborazione numerica del segnali. Il piu’ importante di questi
aspetti riguarda la realizzazione completamente numerica del banco di
modulatori QAM mediante tecniche di trasformata inversa di Fourier.
I E’ possibile dimostrare che la sequenza ottenuta campionando il segnale in uscita
da un banco di N modulatori QASK (Quadrature Amplitude Shift Keying) e’
uguale alla sequenza di valori in uscita di una elaborazione realizzata mediante
un algoritmo IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) a 2N punti.
I La modulazione QASK e’ un caso particolare di modulazione QAM in cui la
forma d’onda associata ai simboli e’ un impulso rettangolare.
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Costruzione della costellazione DMT - I
I Il flusso di bit alla velocita’ di R bit/s in ingresso del modulatore DMT, e’
suddiviso in blocchi di b = RT bit, dove T rappresenta il periodo di simbolo del
sistema DMT. Il blocco di bit b e’ suddiviso a sua volta in N sottoblocchi bi
(i = 0, 1, . . . , N − 1) tali che la sommatoria di bi , ognuno dei quali puo’ avere un
numero diverso di bit, e’ uguale a b.
I A ciascun sottoblocco bi si associa un valore Zi che rappresenta un punto della
costellazione determinato dalla modulazione QAM (di fatto una QASK) della
i-esima sottoportante del sistema.
I Per il sistema ADSL DMT la specifica ANSI T1.413 adotta un numero di
portanti pari a N=256 (dimensione FFT 512) nel verso downstream ed a N=32
(dimensione FFT 64) nel verso upstream.
I La trasmissione avviene praticamente inviando sul canale successivi vettori IFFT
di 512 campioni alla cadenza di 250 µs.
I La larghezza di banda di ogni portante e’ di 4,3125 kHz; ogni vettore FFT
(simbolo DMT) ha una durata T pari a 250 µs ed e’ costituito da 512 campioni
trasmessi sul canale con una frequenza di campionamento minima (nel verso
downstream) di 2208 kHz.
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Costruzione della costellazione DMT - II
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Costruzione della costellazione DMT - III
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Caratteristiche di un sistema ADSL
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IDFT: Inverse Discrete Fourier Trasform - I
I La funzione IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform) e’ l’algoritmo numerico
che viene applicato per inviare in linea un segnale che equivale ad un insieme di
N portanti modulate ciascuna in QAM.
I A ciascun sottoblocco si associa un valore complesso Zi = (Xi , Yi ), complesso in
quanto si tratta di modulazione di ampiezza e fase, che determina la posizione
del vettore della sottoportante sul piano della costellazione QAM.
I Tali vettori Zi sono solo una rappresentazione teorica del segnale DMT poiche’ il
modulatore QAM viene realizzato mediante tecniche completamente numeriche
(IDFT).
I Se in ingresso si hanno N=256 (caso Downstream) simboli per ciascun blocco di
bit in cui sono stati suddivisi i dati in ingresso (corrispondenti al numero di
sottoportanti), in uscita del blocco IDFT si avranno 2N=512 coefficienti reali Xk .
I Secondo la rappresentazione con i numeri complessi, la somma S(N) di N
portanti modulate in ampiezza e fase puo’ essere rappresentata dalla espressione
di sommatoria delle Zi con la notazione esponenziale.
I La modulazione ottenuta mediante IDFT definisce la relazione tra i 2N valori
reali Xk ed i valori complessi Zi .
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IDFT: Inverse Discrete Fourier Trasform - II
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Analisi Tempo/Frequenza DMT
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Allocazione dinamica della velocita’ di cifra - I
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Allocazione dinamica della velocita’ di cifra - II
I Per assicurare le prestazioni nominali di un sistema DMT anche nelle condizioni
di disequalizzazione del portante occorre analizzare, nella fase iniziale di training
del sistema, le condizioni della qualita’ del canale su ogni sottoportante.
I La stima del rapporto segnale rumore, S/N R (Signal to Noise Ratio), permette
di distribuire in maniera opportuna il numero di bit su ogni sottoportante. Puo’
in particolare essere dimostrato che, alle prestazioni stabilite per il tasso di errore
del sistema, il numero di bit da allocare su ogni tono di indice i e’ dato dalla
formula: bi = log2 [1 + (S/Ni /(9, 8 + EmdB )] dove il termine Em rappresenta il
margine prefissato per il rapporto segnale rumore rispetto alle condizioni
nominali di tasso di errore di 1 · 10−7 .
I Il grafico riporta il profilo del rapporto SNR sul canale e la distribuzione dei bit
su ciascuna sottoportante utilizzata. Tale distribuzione e’ relativa ad un traffico
aggregato di circa 8 Mbit/s downstream (ottenuta dall’analisi di un canale
costituito da un collegamento di circa 1,7 km di cavo con coppie di diametro 0,4
mm per un sistema DMT con cancellazione d’eco).
I Il ricevitore e’ interessato da un rumore gaussiano composto da componenti di
diafonia causate da sistemi HDSL e DSL coesistenti nello stesso cavo.
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Bit loading
I Il vantaggio della modulazione multiportante DMT e’ quello di poter adattare la
distribuzione dei bit sulle diverse bande caratteristiche del canale (bit loading).
I La procedura e’ iniziata dall’ATU-C (il collegamento downstream e’ il piu’
critico). L’ATU-C trasmette un uguale numero di bit per canale per misurare le
caratteristiche del canale trasmissivo (a sinistra). L’ATU-R elabora il segnale
ricevuto e comunica (sul canale upstream a bassa velocita’) la distribuzione
ottimale dei bit in accordo alle caratteristiche del canale downstream.
I L’ATU-C adatta il flusso dei bit sulle varie sottoportanti in accordo alla
distribuzione ottimale comunicata. Data la banda stretta di ciascun canale, non
si ha distorsione significativa ed i requisiti di egualizzazione sono molto contenuti
(al limite, nulli).
I Il bit loading e’ un grosso punto di forza della modulazione DMT data l’estrema
variabilita’ delle caratteristiche del local loop.
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Schema a blocchi del modulatore DMT
I La sequenza di bit di ingresso viene suddivisa in blocchi di durata pari al periodo
I
I
I
I
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di simbolo T (= 250 µs): ogni blocco avra’ quindi RT bit, se R = bitrate di
ingresso. Ogni blocco di RT bit viene a sua volta suddiviso in N sottoblocchi, se
N e’ il numero di sottoportanti.
A ciascun sottoblocco si associa un valore complesso Zi = (Xi , Yi ) che
rappresenta un punto della costellazione QAM.
Se in ingresso si hanno N=256 simboli per ciascun blocco di bit (corrispondente
al numero di sottoportanti), in uscita del blocco IDFT si avranno 2N=512
coefficienti reali.
Ciacuna delle 256 portanti e’ modulata con una banda di 4,3125 Khz.
L’efficienza di modulazione massima e’ di 14-15 bit/Hz.
I simboli del Prefisso Ciclico vengono trasmessi in testa a ciscun blocco di bit,
per facilitare le operazioni di equalizzazione del canale: essi occupano circa il 6%
della banda.
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Schema a blocchi del demodulatore DMT
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Modello di riferimento del trasmettitore - I
Nello schema a blocchi di un trasmettitore ADSL possono essere individuati due
distinti blocchi funzionali:
I il primo effettua una codifica mirata alla protezione del flusso informativo;
I il secondo effettua la modulazione del segnale da trasmettere.
Inoltre, all’ingresso del trasmettitore down-stream, posto in Centrale, viene posto un
MUX, che aggrega i vari segnali da trasmettere. Nella descrizione dei blocchi si fara’
riferimento alle principali funzioni del trasmettitore ADSL di tipo DMT.
I I segnali in ingresso del blocco di protezione vengono multiplati in modo da
formare due flussi informativi, denominati fast data e interleaved data. Il primo
e’ utilizzato per garantire minimi ritardi a costo di maggiori errori di trasmissione
(un esempio puo’ essere il segnale vocale o di una videoconferenza). Viceversa il
flusso interleaved data puo’ tollerare ritardi di trasmissione maggiori ma deve
offrire una protezione contro i disturbi di trasmissione (un esempio puo’ essere il
trasferimento di dati).
I La protezione dei flussi informativi va effettuata mediante un codice a
ridondanza ciclica (CRC), uno scrambler ed un codice per correggere eventuali
errori (FEC) per il flusso fast data, mentre per il flusso interleaved e’ previsto
anche un interleaver.
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Modello di riferimento del trasmettitore - II
I Tone ordering: e’ un blocco funzionale, che fa parte del modulatore DMT e
provvede a far in modo che venga limitato il picco dell’inviluppo delle portanti,
assegnando opportunamente i bit a ciascuna sottoportante.
I Costellation Encoder & Gain Scaling: per una determinata sotto-portante, il
codificatore provvede a selezionare un punto della costellazione QAM della
sotto-portante stessa, a cui viene associato il simbolo da trasmettere: come
opzione, la codifica della costellazione puo’ essere fatta con Trellis code (TCM).
La variazione del guadagno con un fattore di scala avviene per ciascuna portante
in seguito a comando proveniente dal terminale ATU-R.
I IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform): e’ l’algoritmo numerico che viene
applicato per creare un segnale che equivale ad inviare in linea un insieme di N
portanti modulate ciascuna in QAM.
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ADSL2: la tecnologia
I L’ADSL2 consente di raggiungere velocita’ di trasferimento dati di circa 12 Mbps
in downstream e 1 Mbps in upstream, l’effettivo raggiungimento di tali velocita’
dipende molto dalla distanza dell’utente dalla centrale telefonica e da altri fattori
(es. qualita’ della linea telefonica).
I Grazie ad una migliorata efficienza della modulazione e ad altri accorgimenti,
l’ADSL2 fornisce delle prestazioni superiori con tutti i dispositivi che supportano
lo standard rispetto alla standard ADSL. Per esempio, nelle linee telefoniche che
piu’ distano dalla centrale, l’ADSL2 fa registrare un aumento di velocita’ fino a
50 Kbps in downstream e upstream.
I Un altro grande miglioramento e’ legato al risparmio di energia. I transceiver
ADSL di prima generazione operano infatti in modalita’ full-power in ogni
momento, anche quando sono inutilizzati. Considerando l’alto numero di modem
ADSL in circolazione, sarebbe possibile risparmiare una quantita’ considerevole
di energia se i modem ADSL potessero entrare in modalita’ stand-by/sleep,
come succede per i computer. Per venire incontro a questo problema, lo
standard ADSL2 ha introdotto due modalita’ di gestione dell’energia che aiutano
a ridurre il consumo totale di corrente elettrica, pur mantenendo la caratteristica
funzionalita’ always on lato utente.
I Lo standard ADSL2plus (o ADSL2+) raddoppia la banda utilizzata per la
trasmissione di dati in downstream, raggiungendo velocita’ teoriche fino a
25Mbps.
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ADSL2+
Con ADSL2+ si raddoppia la frequenza massima utilizzata per la trasmissione dei
dati, da 1.1 a 2.2 MHz, questo consente di poter modulare piu’ informazioni nella
stessa unita’ di tempo, quindi di portare un flusso dati di 25 Mbps su cavo telefonico.
In questo caso bisogna fare ancor piu’ attenzione alle distanze. Infatti una buona resa
di questa tecnologia e’ assicurata per poche centinaia di metri (1,5-2 Km).
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Tecnologie xDSL: prestazioni e distanze
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ADSL2/+ e VDSL - I
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ADSL2/+ e VDSL - II
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Configurazione VDSL
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Confronto tra le tecnologie xDSL
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